TP Physique n°4 Eric DAINI – Lycée Paul Cézanne – Aix en Provence - http://labotp.org
REFRACTION – LOIS DE DESCARTES
OBJECTIFS: établir expérimentalement la loi de Descartes à la réfraction.
I LE PHENOMENE DE REFRACTION
1) Mise en évidence
• Un faisceau laser est envoyé obliquement à la surface de l'eau contenue dans un récipient en verre.
a) Légender le schéma ci-contre avec les mots suivants:
- dioptre air - eau, air, eau, rayon incident, rayon réfracté . - i (angle incident), r (angle réfracté) , normale.
b) Comment se propage la lumière laser dans l'eau et dans l'air ?
c) Comment est modifiée la direction du faiseceau incident à la traversée du dioptre air - eau ? d) Définir alors le phénomène de réfraction.
e) Par rapport à quelle droite particulière sont repérés les angles i et r ?
2) Etude qualitative
• Principe: un demi-cylindre de plexiglass est posé sur un disque gradué pouvant tourner autour de son axe. Un faisceau lumineux arrive au centre de la surface plane du dioptre air - plexiglass (demi-cylindre). Il subit alors une réflexion (peu visible) et une réfraction dans le plexiglass. Les graduations angulaires du disque permettent de mesurer les angles i et r.
• Pour chacun des schémas ci-dessous et construire le rayon réfracté à la sortie du dioptre:
Réfraction air – plexiglass:
Réfraction plexiglass - air:
a) Comparer i et r dans le cas de la réfraction air – plexiglass.
b) Comparer i et r dans le cas de la réfraction plexiglass – air.
c) Dans la réfraction plexiglass – air déterminer expérimentalement la valeur limite de l'angle d'incidence notée il à partir de laquelle il n'y a plus de réfraction mais seulement réflexion du fiasceau incident.
II LOI DE DESCARTES A LA REFRACTION DU DIOPTRE AIR - PLEXIGLASS
• Faire tourner le disque optique autour de son axe en faisant varier i de 10° en 10° puis remplir le tableau. Régler la calculatrice en degré et conserver 3 chiffres significatifs pour les sinus.
i (°) 0 10 20 30 40 50 60 70 80
r (°) sin (i) sin (r)
1) Tracer le graphe sin (i) = f( sin (r) ) sur une demi-feuille de papier millimétré.
Echelles: en abscisse, sin (r): 1 cm ↔ 0,100 en ordonnée, sin (i): 1 cm ↔ 0,100 2) Quelle est l'allure du graphe obtenu ? Que peut-on alors dire de sin (i) et de sin (r) ? .
3) Calculer le coefficient directeur noté "a" de la droite en choisissant deux points particuliers. Détailler le calcul.
4) En 1637, Descartes propose une loi sur les sinus: sin (i) = n.sin (r) avec n, nombre sans dimension appelé indice de réfraction. A partir de la question 3) déterminer la valeur de n , indice de réfraction du plexiglas.
i = 20° i = 40° i = 60°
i = 20° i = 40° i = 60°
plexiglass
90°
Source
0°
0°
90°
air
